基于CFD的闪速炼铜余热锅炉内部流场分布研究.pdf

铜业工程 COPPER ENGINEERINGTotal 181No.3 2023总第181期2023年第3期引文格式引文格式：高鹏文,王国珍.基于CFD的闪速炼铜余热锅炉内部流场分布研究 J.铜业工程,2023(3):159-165.基于CFD的闪速炼铜余热锅炉内部流场分布研究高鹏文，王国珍（江西铜业股份有限公司贵溪冶炼厂，江西 贵溪 335424）摘要：闪速炉余热锅炉炉膛内的烟气流动过程十分复杂，与烟气的初始流入条件、炉膛的结构及挡板、管屏的尺寸及布置方式均密切相关。因此，研究其内部的流场分布规律对于闪速熔炼的工艺优化具有积极的指导作用。本文采用计算流体力学（CFD）数值模拟方法，对某闪速炼铜余热锅炉炉膛内的流场分布规律进行了数值模拟及分析。研究结果表明：建立的余热锅炉流场数值分析方法，能够较准确反映炉膛内的流场分布情况，模型收敛性较好，模拟结果有保证；锅炉辐射室整体流速较低，对流室整体流速较高；进入辐射室的烟气分三部分流动，如何增加流过挡板的烟气动量、减小涡旋的产生是优化炉膛结构的重点。盐化风的高速射入起到了有效打散烟气团的作用，可以防止烟气大量聚集而影响辐射室内烟气的流动和换热，也可以有效保护炉膛顶部，并防止积灰。辐射室挡板的尺寸和布置方式是改变烟气入口处流场的重要因素，合理优化挡板、管屏的设计方案对于保障余热锅炉正常运行及闪速熔炼工艺的顺利进行具有重要的意义。关键词：闪速炼铜；余热锅炉；流场；CFD；优化doi：10.3969/j.issn.1009-3842.2023.03.023中图分类号：TK22 文献标识码：A 文章编号：1009-3842（2023）03-0159-071 引 言闪速熔炼是为了强化冶炼反应过程，在物料粉碎后最大限度地利用物料的巨大活性表面的冶炼方法1-3。烟气的余热利用是闪速熔炼工艺的重要环节。闪速熔炼会产生大量的高温烟气，这部分烟气所携带的热量非常大，直接排掉会增大热能损耗，且会造成出口烟温过高，影响尾部收尘制酸及其他后续工艺4。而这一环节的核心设备就是余热锅炉。闪速熔炼能否顺利进行取决于余热锅炉的可用度和性能。闪速炉余热锅炉炉膛内的烟气流动过程十分复杂，与烟气的初始流入条件、炉膛的结构及挡板、管屏的尺寸及布置方式均密切相关。因此，研究其内部的流场分布规律对于闪速熔炼的工艺优化具有积极的指导作用。本文采用计算流体力学数值方法，对某闪速炼铜余热锅炉炉膛内的流场分布规律进行了数值模拟及分析。2 余热锅炉数值研究国内外现状余热锅炉的内部结构复杂，工况环境恶劣，且余热锅炉的可及性有限、运行条件苛刻，进行试验研究极具挑战性，研究烟气在其内部的流动规律十分困难。另一方面，想要根据相似原理对炉内烟气流动进行相似试验，由于很难找到与之具有相同相似准则数的流体替代，使得试验很难开展。而计算流体力学（CFD）方法由于不需要进行大型的模型试验，且仿真周期与试验相比大大缩短，使得CFD方法在解决诸多流体力学问题上应用极为广泛。学者们通过这种新的手段对余热锅炉炉膛内的流动规律及传热传质特性展开研究，获得了一些辅助设计、改进优化的成功案例。Antonio 等5通过模拟炉膛内流场分布，对锅炉炉膛对流段的结构进行了合理性简化，并证明了其可信度和准确性，且在350 MW电站锅炉上得到了很好的应用。Mahlia，Adam等6-7对不同种类的余热锅炉进行了数值模拟研究。Hanafizadeh采用实验和数值方法对卧式余热锅炉进气管道传统区域内的流态进行了全面的分析和评估。Pfab等8对西门子公司某工业燃气轮机后的UMAG余热锅炉流场进行了CFD分析。可见，对均流方式、在锅炉前后放置创新型内流装置等优化的模拟结果，在联合循环模式下得到了预期的效果。Zhinov等9收稿日期：2023-02-11；修订日期：2023-06-05作者简介：高鹏文（1996），男，江西余干人，硕士研究生，助理工程师，研究方向：铜火法冶炼，E-mail：；通信作者：王国珍，高级工程师，E-mail：159总第181期铜业工程Total 181为了优化燃气轮机机组余热锅炉烟道的几何特性，利用 CFD 对排气管内的流动进行了模拟。Amlia等10通过CFD模拟余热锅炉中烟尘的物理行为，预测了粒径依赖性颗粒沉降和烟道积尘的危险区域，并开发了一种新的烟尘粘滞函数，提出了尽量减少烟尘积聚的操作建议。王晓瑜11采用计算流体力学数值方法，合理简化了余热锅炉模型，对余热锅炉炉膛内烟气的流动与传热过程进行了数值模拟，得到了炉膛内部的流场和温度场分布。高玉国等12建立了余热锅炉热力分析数值模型，对炉膛内烟气的热力性质及温度场分布进行了数值模拟。模拟结果表明，气侧污垢的传热阻力和气相对流都是影响炉内传热的重要因素。通过提高入口气体温度可以使入口气体流速提高，从而降低传热阻力，改善传热，进而降低出口气体温度。孙娜等13建立了余热锅炉的数值计算模型，对余热锅炉内部流场和温度场进行研究分析。毛国平等14也采用计算流体力学数值模拟方法对闪速炉余热锅炉内的热力过程进行了数值模拟。3 闪速炉余热锅炉内部流场数值模拟3.1理论基础闪速炼铜余热锅炉炉膛内的烟气流动过程十分复杂，烟气在流动过程中与盐化风之间会发生化学组分的传输与扩散，并最终影响流场分布。因此，本文的CFD数值模拟计算工作考虑了紊流计算、化学组分扩散与传输两方面的问题。3.1.1紊流计算为了对炉膛内流场分布的复杂性实现精确模拟，在紊流模型的选择上需要考虑带涡流动15，故本文在考虑余热锅炉炉膛内紊流流动时选用雷诺应力模型（RSM）。RSM 通过雷诺输运方程来诠释，具体表示为：t(-uiuj)+Cij=Dij,t+Dij,m+Pij+Gij+式（1）将式（1）展开可得：式（2）Dij，t采用标量紊流扩散模型，写为：Dij,t=xk(tk-uiujxk)式（3）式中，紊流黏性系数t=Ck2，而k取0.82。浮力产生项Gij为：Gij=tPrt(giTxj+gjTxi)式（4）其中，ij又可以分解为以下三项：ij=ij,1+ij,2+wij式（5）耗散张量ij模拟为：ij=23ij(+YM)式（6）式中，YM=2M2t，Mt是马赫数。3.1.2化学组分扩散与传输计算在化学组分扩散与传输中，通过求解对第i组分的对流扩散方程来计算每个组元的当地质量分数 Yi，对流扩散方程使用下面一般形式的守恒方程16：t(Yi)+(v Yi)=-Ji+Ri+Si式（7）在层流中的质量扩散计算中，Ji表示第i组分的扩散通量，由浓度梯度产生，使用稀释近似则写为：Ji=-Di,mYi式（8）其中，Di，m代表扩散系数。紊流流动中的质量扩散计算为：Ji=-(Di,m+tSct)Yi式（9）式中，Sct是紊流的施密特数，表达式为Sct=tDt，其中t是紊流粘性系数，Dt是紊流扩散率。闪速炼铜余热锅炉内的烟气与烟尘组分复杂，不同组分间还会分别发生化学反应，做到精确模拟的难度极大。因此，本文在模拟锅炉炉膛的流场分布时，暂不考虑烟气及烟尘组分间的化学反应，只考虑组分间发生掺混的过程。3.2数值模拟本文采用426L-0 2#FFB型闪速炉余热锅炉作为数值模拟案例。该锅炉的结构主要由上升烟道、辐射段和对流段组成。该余热锅炉的工作原t(-uiuj)+xk(Uk-uiuj)=-xk -uiujuk+-p()kjui+ikuj +xk(xk-uiuj)-(-uiukUjxk+-ujukUixk)-(gi-uj+gj-ui)+ij+ij+Fijp()uixj+ujxi-2-uixkujxk-2k()ikm-ujum+jkm-uium160高鹏文等 基于CFD的闪速炼铜余热锅炉内部流场分布研究2023年第3期理为：闪速炉上升烟道出来的1390 的高温烟气进入闪速炉锅炉；经过四周全部由管水冷壁组成的庞大的辐射室，辐射室前墙上部安装了3个硫酸盐化风喷嘴，辐射室中部设挡渣屏，尾部设一组辐射管屏；烟气被冷却到760 以下，再进入对流部，对流部周围则全部由膜式水冷壁管组成，内部设置了五组对流管束；烟气被冷却到360 以下排出锅炉。3.2.1模型结构简化本文的研究对象是闪速炼铜余热锅炉炉膛内的流场分布规律，由于锅炉辐射室和对流室内的温度效应属于传热问题，对炉内流动问题的影响可忽略不计，故暂不考虑。闪速炼铜余热锅炉结构复杂且工况恶劣，对其进行模拟不仅存在理论上的难解性，还存在网格划分方面的问题。所以，需要对物理模型进行合理的简化，使得模拟既易于实现，结果也符合实际情况。对物理模型的简化具体为：（1）余热锅炉的炉壁由密集的管道排列而成，管内有流动的循环水，水冷管道对烟气的换热过程具有决定性作用。由于本次模拟不考虑换热过程，且余热锅炉的炉膛空间很大，即网格计算域很大，所以忽略炉壁处管道对烟气流动的影响，将水冷壁看作平面处理。（2）余热锅炉辐射室及对流室内的挡板实际上也是多排管子所构成的管屏，管道数量较多，且与炉膛相比管道尺寸过小，如果对这部分管屏都做到精细建模及模拟，不仅对分析流场的意义不大，而且会消耗较大的计算周期和内存容量，还会导致网格划分时的参考尺寸无法精准选取。所以，本文将挡板和管屏简化为具有较多缝隙的平行平板。闪速炼铜余热锅炉的简化物理模型结构图如图1所示，图中蓝色箭头为余热锅炉炉膛内的烟气流动方向。3.2.2模型网格划分根据流体力学计算理论，为了更精确地描述余热锅炉炉膛内复杂流场的情况，本文采用二十节点四面体单元进行网格划分，既能对复杂流场进行描述，又能有效减小网格数量，降低计算成本。由于盐化风嘴、挡板及管屏等部分的尺寸与余热锅炉整体尺寸不在一个数量级，若将所有部位的网格尺寸固定为一个，会严重影响整体的网格质量。若以余热锅炉的尺寸为依据划分，则盐化风嘴、管屏等部位处的网格尺寸较大，不能很好地反映该部位流体的流动特征，甚至出现负体积网格，导致计算无法进行；若以盐化风嘴、管屏等部位的尺寸为依据划分，余热锅炉整体的网格尺寸太密，产生多余运算的同时，也增加了计算机的计算负荷。因此，盐化风嘴、挡板及管屏等部位需要进行网格局部加密。图 2为闪速炉余热锅炉的网格划分图。该有限元模型共计划分70万左右的单元数量，平均网格质量为0.824，属于较好的网格。3.2.3边界条件设置本文采用的闪速炉余热锅炉的进口烟气流量为32677 Nm3/h，进口烟温为1390，烟尘含有量为172.88 g/Nm2，烟气与烟尘的对应成分见表1。图1闪速炉余热锅炉结构模型图Fig.1Structure model of flash furnace waste heat boiler图2闪速炉余热锅炉网格划分图Fig.2Flash furnace waste heat boiler grid diagram161总第181期铜业工程Total 181该余热锅炉整体属于开口系统，烟气和盐化风作为系统的进口介质，边界部位的数值已知，故采用速度入口边界。气流出口数值需要进行计算，故初始选择压力出流。开口系统置于空气中，默认出口外界压力为当地大气压。详细的边界数值见表2。4 闪速炉余热锅炉内部流场数值研究在确定了426L-0 2#FFB型闪速炼铜余热锅炉的运行工况及初边值条件后，采用上述CFD计算方法对炉膛内流场进行数值模拟，分析其内部的烟气流动特性和流场分布规律。图3为计算残差图，可以看出，闪速炉余热锅炉炉膛内部的烟气流动模拟中，各向速度、湍动能、耗散率等参数均趋于收敛，收敛精度为110-5，由此可知，模型收敛性较好，模拟结果有保证。图4为闪速炉余热锅炉炉膛在ZOX截面的流场分布图，标尺色调的冷暖代表速度的大小，速度越大色调越暖，速度越小色调越冷。本例中炉膛内烟气最大速度约为7.99 m/s。由图4可知，锅炉辐射室内的空间较大，管屏所占面积较小，故流动雷诺数较小，辐射室内烟气整体流速较低。锅炉对流室内空间较小，管屏所占面积大，故流动雷诺数较大，对流室内烟气整体流速较高。将盐化风嘴区域、烟气进口处灰斗上方区域和对流室进口区域分别局部放大，如图 4 中，所示。从图4中区域可以看出，盐化风呈45向下射入辐射室内，高速气流将与附近的高温烟气发生碰撞，避免大量烟气发生集聚，同时对辐射室内的热交换起到促进作用。另一方面，盐化风的高速射入改变了烟气的速度和方向，不仅有效地降低了烟气团的温度，起到了保护炉膛顶部的作用，还可以防止炉膛顶部积灰。由图4中处可以看出，烟气进口处灰斗上方区域会出现涡旋，这与该处炉膛的结构和烟气流动特点均有关。同理，图4中处烟气在进入对流室后在入口处也会产生涡旋，而且此处的流速更大，形成的涡旋更复杂。为了更清楚地了解涡旋产生的原因，给出余热锅炉炉膛内烟气流动的矢量图，如图5所示。可以清楚地看到烟气自上升烟道进入后，通过辐射室、对流室，直至最终流出的全部轨迹。由此可知，刚进入辐射室的烟气流向大概分为三部分。第一部分烟气通过辐射室挡板。挡板是由多排管子排布而成，挡板中间存在细小、均匀的缝隙，烟气通过挡板后，挡板的管排会起到“梳理”的作用，使得流过挡板的烟气具有均匀的流速。但从图 5也可以看出，挡板附近的矢量箭头较少较短，说明此处的烟气流速低、动量小。第二部分烟气没有通过挡板，而是绕过挡板沿炉膛纵向流动。第三部分烟气会受到挡板的阻挡而变化流向，同表1余热锅炉进口烟气、烟尘成分Table 1Waste heat boiler imported flue gas，dust composition烟气成分SO2S2CO2N2H2O含量/%35.242.400.9456.804.62烟尘成分CuSFeSiO其他含量/%12.0014.0032.706.0035.30表2余热锅炉进、出口边界条件Table 2Waste heat boiler inlet and outlet boundary conditions参数烟气入口盐化风入口出口速度/（m/s）0.5017.987压力/MPa0.101水力直径/m4.6830.1162.000湍流强度0.020560.010400.01364图3闪速炉余热锅炉炉膛流场模拟残差图Fig.3Residual diagram of simulated flow field in flashfurnace waste heat boiler 162高鹏文等 基于CFD的闪速炼铜余热锅炉内部流场分布研究2023年第3期时由于此处炉膛结构的特点，在烟气进口处灰斗上方区域形成涡旋。涡旋处矢量箭头较长，颜色饱和度高，代表此处的烟气流速大，会对烟尘能否有效沉降入灰斗产生较大影响。所以，辐射室挡板的尺寸和布置方式是改变烟气入口处流场的重要因素。此外，为了更立体地得到不同炉膛位置 YOZ截面处的流场分布，选取了6个不同位置，提取了对应YOZ截面处的流场云图，如图6所示。图6中为辐射室的烟气入口截面，可以看到平面最上方有3个盐化风入口，入口处流速最大。但是由于盐化风是45射入炉膛的，所以对于平面下方的气流扰动并不是很大。图6中为辐射室的等截面入口，仍可以看到平面上方受到3个盐化风嘴射入气流的扰动，也是由于盐化风是45射入炉膛的，所以平面下方的气流扰动要比平面明显很多。图6中为辐射室挡板截面处流场分布，由于穿过挡板的烟气流速低、动量小，且绕过挡板沿炉膛纵向运动的气流较为均匀，所以平面上、下部的变化均不明显。图6中和分别为对流室挡板和第一组管屏的截面处流场分布，由于辐射室流出的烟气流入空间较小的对流室，流速增加，动量增大，且对流室下方存在明显回流，所以气流扰动较大，和平面下方云图饱和度较高。图6中为炉膛出口附近的截面处流场分布，此时的烟气流动空间再度减小，流速增加，且越往上流速越大，扰动越剧烈。由此可见，炉膛内挡板、管屏等设施的结构、图4闪速炉余热锅炉炉膛流场模拟截面云图（ZOX截面）Fig.4Simulated cross-section cloud diagram of chamber flow field of flash furnace waste heat boiler（ZOX cross section）图5闪速炉余热锅炉炉膛流场模拟截面矢量图（ZOX截面）Fig.5Simulated cross section vector diagram of chamber flow field of flash furnace waste heat boiler（ZOX cross section）163和(b)对应截面处的流场分布图总第181期铜业工程Total 181 5 尺寸与布置方式对于优化流场至关重要，合理优化挡板、管屏的设计方案对于保障余热锅炉的正常运行及闪速熔炼工艺的顺利进行具有重要意义。结论本文采用计算流体力学数值模拟方法，基于闪速炼铜工艺及余热锅炉构造，对某闪速炼铜余热锅炉运行期间炉膛内的流场进行了仿真模拟，并分析了炉膛不同室内的气流分布规律及成因。（1）本文建立的余热锅炉流场数值分析方法，较准确地反映了炉膛内的流场分布情况，模型收敛性较好，模拟结果有保证。（2）锅炉辐射室内烟气整体流速较低，对流室内烟气整体流速较高；进入辐射室的烟气分三部分流动，如何增加流过挡板的烟气动量、减小涡旋的产生是优化炉膛结构的重点。盐化风的高速射入起到了有效打散烟气团的作用，可以防止烟气大量聚集而影响辐射室内烟气的流动和换热，也可以有效保护炉膛顶部，还可以防止积灰。（3）辐射室挡板的尺寸和布置方式是改变烟气入口处流场的重要因素，合理优化挡板、管屏的设计方案对于保障余热锅炉正常运行及闪速熔炼工艺的顺利进行具有重要的意义。参考文献：1 刘 建 军.铜 闪 速 熔 炼 工 艺J.铜 业 工 程，2011（3）：25.2 赵宝军，谢岁，李明周.铜闪速熔炼过程中渣-冰铜-气三相平衡研究 J.有色金属（冶炼部分），2022（3）：38.3 李卫民.奥托昆普粗铜闪速熔炼工艺 J.中国有色冶金，2010，39（3）：1.4 文仁.贵冶闪速炉余热锅炉辐射部改造 J.铜业工程，2009（3）：31.5 GMEZ A，FUEYO N，DEZ L I.Modelling and simulation of fluid flow and heat transfer in the convective zone of a power-generation boiler J.Applied Thermal Engineering，2010，28（5-6）：532.6 MAHLIA T，ABDULMUIN M Z，ALAMSYAH T，MUKHLISHIEN D.Dynamic modeling and simulation of a palm wastes boiler J.Renewable Energy，2003，28（8）：1235.7 ADAM E J，MARCHETTI J L.Dynamic simulation of large boilers with natural recirculation J.Computers&Chemical Engineering，1999，23（8）：1031.8 PFAB F，FERDINAND K.Computational Fluid Dynamics（CFD）calculation of the optimization of flow equipartition in a waste heat boiler system behind a gas turbine with additional firing using flow internals J.VDI Berichte，2005：441.9 ZHINOV A A，SHEVELEV D V，KARYSHEV A K，ANAN EV P A.The numerical research of the gas flow in the exhaust duct of the gas turbine with a waste heat boilerJ.Ain Shams Engineering Journal，2018，9（4）：1325.10 SCHMIDT A，MONTENEGRO V，REUTER M，CHARITOS A，STELTER M，RICHTER A.CFD Study on the physical behavior of flue dust in an industrial-scale copper waste heat boiler J.Metallurgical and Materials Transactions，B.Process metallurgy and materials processing science，2022（1）：53B.11 王晓瑜.余热锅炉流动与传热数值模拟及仿真平台开发 D.成都：西南交通大学，2013.12 GAO Y G，DAI Z H，LI W F，LIU H F，YU G S，WANG F C.Thermodynamic analysis and numerical simulation of vertical reducing helical coiled fire-tube waste heat boiler in gasificationJ.Journal of Enhanced Heat Transfer，2011，18（1）：55.图6(a)闪速炉余热锅炉分析点 the corresponding cross-Fig.6(a)Analysis point of flash furnace waste heat boilerand(b)distribution cloud diagram of flow field atsection164高鹏文等 基于CFD的闪速炼铜余热锅炉内部流场分布研究2023年第3期13 SUN N，YANG H X.Numerical simulation analysis of flow and heat transfer in medium temperature boiler J.Journal of Physics：Conference Series，2021，2101（1）：012003.14 毛国平，刘国澳，刘慧，谢韬.闪速炼铜余热锅炉增产后流场与温度场数值模拟 J.工业加热，2016，45（6）：35.15 丁晟.闪速炼铜余热锅炉辐射室流场温度场数值模拟及结构优化 D.杭州：浙江大学，2011.16 HANAFIZADEH P，SIAHKALROUDI M M，AHMADI P.Experimental and numerical investigation of optimum design of semi industrial heat recovery steam generator inlet ductJ.Applied Thermal Engineering，2016，104：375.Flow Field Distribution in Flash Copper Waste Heat Boiler Based on CFDGAO Pengwen，WANG Guozhen（Guixi Smelter，Jiangxi Copper Company Limited，Guixi 335424，China）Abstract：The flue gas flow process in the furnace chamber of flash furnace waste heat boiler is very complex,which is closely related to the initial inflow conditions of flue gas,the structure of furnace,the size and layout of baffle and tube panel.Therefore,the study of its internal flow field distribution has a positive guiding role for the process optimization of flash smelting.In this paper,CFD numerical simulation method is used to simulate and analyze the flow field distribution in the furnace of a flash copper smelting waste heat boiler.The results show that the established numerical analysis method of waste heat boiler flow field can accurately reflect the flow field distribution in the furnace,the convergence of the model is good,and the simulation results are guaranteed.The overall velocity of the boiler radiation chamber is low,and the overall velocity of the convection chamber is high.The flue gas entering the radiation chamber flows in three parts.How to increase the momentum of flue gas flowing through the baffle and reduce the generation of vortex is the focus of optimizing the furnace structure.The high-speed injection of salinization air can effectively disperse the smoke and air mass,prevent a large amount of flue gas from gathering and affecting the flow and heat exchange of flue gas in the radiation room,and also effectively protect the top of the furnace and prevent ash accumulation.The size and layout of the baffle in the radiation chamber are important factors to change the flow field at the flue gas inlet.Reasonable optimization of the design scheme of the baffle and tube panel is of great significance to ensure the normal operation of the waste heat boiler and the smooth progress of the flash smelting process.Key words：copper flash smelting；waste heat boiler；flow field；CFD；optimizationdoi：10.3969/j.issn.1009-3842.2023.03.023165